Микроволновые приборы и устройства

181

Цилиндрический резонатор является полуволновым и перестраивается поршнем 6, включенным в один из торцов резонатора. В другом торце размещены отверстия связи 4 между круглым волноводом и стабилизирующим резонатором. Центры отверстий связи находятся на уровне максимума напряженности азимутального электрического поля вида колебаний Н011. Круглый волновод 5 является продолжением цилиндрического резонатора, и в нем возбуждается волна типа Н01.

Отверстия связи заполняют керамикой. Они выполняют роль вакуумных уплотнений между стабилизирующим резонатором и невакуумным круглым волноводом.

Основным достоинством обращенного магнетрона является большой срок службы, так как катод имеет большую эмитирующую поверхность.

Цилиндрический резонатор магнетрона с колебаниями вида H011 имеет еще более высокую собственную добротность, чем коаксиальный, что особенно важно в миллиметровом диапазоне длин волн, где высокая стабильность π-вида колебаний позволяет увеличивать количество резонаторов до N = 120 и увеличить диаметр цилиндрического резонатора и анода.

Разработанные конструкции обращенных магнетронов работают на частотах от 30 до 60 ГГц с выходной мощностью от 40 до 125 кВт в импульсе. Обращенные магнетроны используют в РЛС различного назначения, где требуется высокая стабильность частоты генерации.

7.8 Магнетроны, настраиваемые напряжением

Магнетроны, настраиваемые напряжением (МНН), широко известные под названием митроны, предназначены для получения больших мощностей и обеспечения широкой полосы электронной перестройки частоты. При изменении анодного напряжения изменяется скорость вращения электронных «спиц» v0, а передача энергии от электронов высокочастотному полю бегущей волны в условиях фазового синхронизма происходит на той частоте, где фазовая скорость волны соответствует скорости электронных «спиц». Поэтому изменение анодного напряжения приводит к перестройке частоты генерации магнетрона.

182

Зависимость частоты от анодного напряжения в магнетроне на π-виде колебаний из формулы (7.15) имеет вид

т.е. при постоянной магнитной индукции частота должна линейно зависеть от анодного напряжения.

Для получения линейной зависимости частоты от анодного напряжения в магнетроне, необходимо изменить вольт-амперную характеристику (рис. 7.14, а) таким образом, чтобы анодный ток слабо менялся при изменении анодного напряжения, без существенного изменения мощности генерации.

Анодный ток в магнетроне можно ограничить, если вынести электронный инжектор из пространства взаимодействия. Это одна из конструктивных особенностей МНН, отличающих его от конструкций классического магнетрона. Чтобы обеспечить перестройку частоты в широком диапазоне, необходимо взять либо замедляющую систему, либо низкодобротную резонаторную систему с большим разделением видов колебаний — это вторая особенность.

Основными узлами МНН (рис. 7.16) являются магнетронная пушка 1, низкодобротная резонаторная система 2 с выводом энергии 3 и отрицательный электрод 4, называемый иногда «холодным» катодом.

Рис. 7.16 — Схема устройства МНН:

а — схема тороидального резонатора со встречно-штыревой замедляющей системой в пространстве электрического поля; б — дисперсионная характеристика ЗС

183

Магнетронная пушка (электронная пушка Кайно) содержит конические катод и анод, формирующие трубчатый электронный поток, инжектируемый в пространство взаимодействия МНН. Под действием постоянного магнитного поля, направленного вдоль оси пушки, и электрического поля, имеющего радиальную и азимутальную составляющие, электроны совершают трехмерное движение, смещаясь в осевом направлении так, что центры электронных орбит описывают спирали в трубчатом потоке. Полый электронный пучок оседает на аноде МНН, создавая постоянный анодный ток. На аноде пушки ток не оседает.

Резонаторная система МНН содержит квазитороидальный резонатор, который состоит из вакуумной и невакуумной частей, разделенных керамической шайбой. В вакуумной части резонатора расположена замкнутая встречно-штыревая система (рис. 7.16, а). Встречно-штыревая система имеет широкую полосу рабочих частот. Когда в резонаторе возбуждаются электромагнитные колебания на виде Е010, то в соседних ячейках системы встречных штырей устанавливаются противофазные колебания (рис. 7.16, а). Квазитороидальный резонатор, нагруженный в емкостной части системой встречных штырей, имеет сравнительно низкую собственную добротность (около 50—100). Сильная связь вывода энергии с нагрузкой, включенного в невакуумную часть резонатора, где сконцентрированы магнитные силовые линии, позволяет получать нагруженную добротность в несколько единиц, что обеспечивает диапазон электронной настройки в октаву и более.

Характеристики МНН приведены на рис. 7.17, где вольтамперная характеристика изображена в виде зависимости Iа(Uа) при фиксированном значении потенциала анода магнетронной пушки Uп. Зависимость Iа(Uа) для МНН отличается от аналогичной зависимости для классического магнетрона (рис. 7.14, а): в МНН анодный ток слабо зависит от анодного напряжения, более сильное влияние на Iа оказывает изменение потенциала анода пушки (рис. 7.17, б).

Зависимость частоты генерации МНН от анодного напряжения близка к линейной. Для ее изменения на октаву следует изменять анодное напряжение в два раза.

184

Рис. 7.17 — Характеристики МНН

Из рис. 7.17, б видно, что частота генерации зависит и от напряжения анода пушки. Зависимость fген(Uп) имеет падающий характер, так как с ростом анодного тока МНН возрастает плотность пространственного заряда и увеличивается емкостная электронная проводимость. Эта зависимость нелинейна и не используется для перестройки частоты. Маломощные МНН имеют диапазон перестройки пол-октавы в СМВ, их КПД составляет 10— 20 %. Мощные МНН имеют КПД 70 %, но диапазон электронной перестройки всего 7—10 %. МНН имеют малые габариты и вес.

МНН используют в передатчиках станций помех систем радиопротиводействия, в передающих устройствах радиовзрывателей, а также в панорамных измерительных установках [6], в СВЧпечах. Благодаря тому, что электронно-оптическая система МНН вынесена из пространства взаимодействия, срок службы для

МНН средней мощности с Pвых = 3 ÷10 Вт составляет 3÷5 тыс. ч, для мощных МНН — не менее 1000 ч.

185

Глава 8. НЕРЕЗОНАНСНЫЕ ПРИБОРЫ ТИПА М

8.1 Платинотроны

Платинотроны принадлежат к классу приборов со скрещенными полями, у которых электронный поток замкнут, а замедляющая система (анодный блок) — разомкнута, что обеспечивает по сравнению с магнетроном большую полосу рабочих частот. Платинотрон сохраняет важные преимущества магнетронов — высокий КПД, простоту устройства, достаточно малые габариты и сравнительно низкое сопротивление по постоянному току.

По устройству платинотрон отличается от магнетрона тем, что имеет два высокочастотных вывода энергии — вход и выход, которые получены разрывом кольцевых связок в одном резонаторе (рис.

8.1). Второе отличие — в числе резонаторов: у платинотрона оно нечетное, и берется таким для того, чтобы предотвратить возбуждение колебания вида π.

Все платинотроны имеют аксиальную конструкцию. Основным узлом платинотрона явля-

ется анодный блок с резонаторами лопаточного типа (1), цилиндрический катод (2), кольцевые связки (3) не замкнуты, а переходят

в ввод энергии — (4) и вывод — (5).

Взаимодействие электронного потока с электромагнитным полем в пространстве между анодом и катодом протекает так же, как и в магнетроне: оно наступает при выполнении условий синхронизма скоростей v0 = vф(−1) , пространственный заряд имеет фор-

му вращающегося «колеса со спицами». Электронный поток в платинотроне взаимодействует с обратной волной на гармонике m = –1, когда скорости vгр и v0 противоположно направлены.

186

Платинотрон может работать в двух режимах: в режиме усиления сигналов и в режиме генерации.

Платинотрон-усилитель называется амплитроном.

Для наибольшего усиления сигнала, поступающего на вход амплитрона, требуется, чтобы спицы проходили под щелями резонаторов в моменты, когда поле в них тормозящее и максимальное. Так должно повторяться после каждого оборота спиц вокруг катода. Тогда набег фазы ψ на ячейку замедляющей структуры подчиняется равенству: , где N — количество резонаторов; β — целое число. Наибольшее усиление в амплитроне соответствует такой частоте, на которой полный набег фазы кратен 2π. При изменении частоты относительно оптимальной усиление уменьшается, потому что теперь спицы будут проходить под щелями в моменты, когда поле хотя и тормозящее, но не максимальное. Тем самым, у амплитронов усиление наблюдается в некоторой узкой полосе частот входного сигнала, определяемой условием усиления.

Условие усиления сигнала амплитрона состоит в том, что полное время одного оборота спицы вокруг катода Тсп должно быть примерно равно целому числу β периодов Т колебаний СВЧ с некоторым t — допустимым отставанием или опережением спицей СВЧ-поля, при котором усиление не срывается, а лишь слегка уменьшается по сравнению с оптимальным:

где θ — сдвиг фазы по связкам на одну ячейку — резонатор для бегущей волны типа ТЕМ. Для гармоники m = –1 фазовая скорость

187

Если частота подобрана так, что удовлетворяется (8.6), то в приборе наблюдаются наилучшие условия взаимодействия пучка и поля и максимальные выходные параметры. Если частота изменилась и спица после одного оборота несколько опережает или отстаёт от поля, то выполняется условие (8.5). При Δϕ > ± 900 спица попадает в ускоряющее поле и «рассыпается».

Выражение (8.6) даёт дискретные значения для оптимальных фазовых сдвигов на ячейку θопт, при которых наблюдается эффективное взаимодействие. Оптимальное значение фазового сдвига ϕопт на одну ячейку по пространству взаимодействия представляют в виде

c (λ) приведена дисперсионная характеристика платинотро-

vф(−1)

на. Поведение характеристики в указанных координатах одина-

188

где Lсв — эквивалентная индуктивность связок; ωн — нижняя рабочая частота ЗС; Z р — резонансное сопротивление одного резонатора ЗС.

Рис. 8.2 — Дисперсионная характеристика

Дисперсионная характеристика платинотрона аномальная. Для получения зон усиления следует задавать целые значения величине β = 1,2,3… в (8.6), определять угол θопт и откладывать

его на характеристике (рис. 8.2), причем величина угла θопт ≤ π.

Ширина зоны усиления по углам θ для всех зон одинакова, т.к. определяется числом резонаторов, и равна

В пределах полосы пропускания замедляющей системы число зон усиления будет β = N2−1 ; первой зоной принято назы-

вать зону, соответствующую максимальному значению β, где θопт наибольшее, а ускоряющее напряжение Uа — наименьшее;

работают обычно в зоне, где полоса рабочих частот Δω больше (положе участок дисперсионной характеристики). Число резонаторов более чем N = 11 обычно не делается, так как это уменьшает полосу частот.

Амплитудные характеристики амплитронов в виде

Pвых (Pвх ) при P0 = const tпоказаны на рис. 8.3.

Под влиянием поля этих колебаний начнётся формирование спиц, которые увеличивают энергию паразитного колебания.

Поданный на вход амплитрона сигнал с частотой ω, подлежащий усилению, если его мощность Рвх мала, не может «разрушить» спицы случайного колебания. Только при мощности входного сигнала Рвх ≥ Рпор его поле в ЗС станет доминирующим. Поле этой волны начнёт возрастать, и на выходе появится усиленный сигнал с частотой ω, а случайные колебания сорвутся. Амплитрон работает как насыщенный усилитель.

Граница (рис. 8.3, пунктирная линия), где входной сигнал начинает управлять выходным и областью, где этого управления нет, определяется эмпирическими соотношениями

Рвых, Рвх в формулахподставляются в кВт. Из последнего соотношения можно получить выражение для max коэффициента усиления амплитрона.

190

Фазочастотная характеристика приведена на рис. 8.4. Как известно, увеличение пространственного заряда (тока луча) в приборах М-типа приводит к изменению частоты колебаний, т.е. вызывает электронное смещение частоты. Одним из достоинств платинотронов является минимальное значение электронного смещения фазы (ЭСФ), т.е. изменение фазы выходного сигнала при изменении тока на один ампер. ЭСФ меняется от 0,8÷0,9 [ градА ].

Рис. 8.4 — Характеристика ЭСФ

Коэффициент полезного действия, с учетом входной мощности, которая довольно велика, не теряется в ЗС, а составляет часть выходной мощности, определяют соотношением:

где Рпрх = ξРвх; ξ = 1,3÷1,5.

Итак, коэффициент усиления платинотронов не более 25дБ, полоса частот — ±(8—10) %; КПД — 80 %; выходная мощность — в непрерывном режиме — сотни кВт, в импульсном — до десятков МВт.

Амплитрон, работающий в режиме генерации, называет-

ся стабилотроном, но требует специальной схемы с внешним резонатором и дополнительной обратной связью. Преимущество стабилотронов по сравнению с магнетроном — большая стабиль-